一文带你了解贝壳密钥管理系统(KMS)
一、概述
密码学技术是信息安全技术的核心，一般情况下，我们习惯认为数据经过加密处理就是安全的，却忽视了由于设计不完善、实现不规范给系统带来的风险。应用中常见的反面例子有：
1、使用的密码算法强度不足。如使用MD5、SHA1算法哈希存储用户密码、手机号等。——可以通过彩虹表攻击在有限空间+时间内通过碰撞推导原文，目前业界已普遍采用强度更强的PBKDF2等算法替代。
2、密钥长度不足导致密钥空间有限，在现有计算条件下易于被暴力破解。如：64位（有效长度56位）密钥长度的DES密钥、1024位RSA密钥在现有硬件条件下，可在几天或几小时内实现破解。
3、算法使用不当，导致抗分析能力较弱。反面案例有：通过不安全的伪随机数产生密钥，导致碰撞概率极高；加密过程中初始向量IV为空，使差分攻击难度降低；HMAC摘要中未使用盐值导致重放等横向攻击。
4、未设置密钥更新机制、更新机制不合理或无法及时停用存在风险的密钥，导致密钥泄露风险逐渐提高。比如：通过构造收集足够多的明文/密文对之后，可以通过差分攻击极大提速密钥的破解。
5、密钥存储方案或存储环境存在泄露风险。如：通过配置文件、硬编码等方式存储密钥，攻击者可通过越权查看配置文件、反编译程序代码等方式获取密钥。
6、不合理的密钥分发机制导致密钥在分发、传输过程中泄露。如：线下传输密钥或直接将密钥明文以文件形式传递，导致密钥泄露的风险大大增加。
7、多应用间共享加密密钥，导致密钥、敏感数据的使用权限和范围无法收敛，同时应用密钥更新机制难以实施。
8、各业务方各自为政的密码学技术实现，导致难以对密钥使用、敏感数据流转进行统一审计和有效追溯。
9、未限制简单口令、未限制口令最小长度、未限制口令/密钥的尝试次数，导致口令/密钥易于遭受暴力破解。如：对登录页面的口令长度未做限制，同时不限制尝试次数，导致用户口令极易猜测；系统间TOKEN验证过程中，对连续认证失败场景缺少IP+次数+时间锁定机制，导致TOKEN易于泄露。
从以上安全风险来看，密钥在生成、更新、存储、分发、使用过程中，存在着泄露、滥用、权限管控缺失、无法有效审计等风险，进而直接影响整个密码系统和应用方案的安全性。因此在密码技术实践过程中，密钥的安全保存、合理使用、最小授权、有效审计是系统的核心任务，也就是密钥管理系统（KMS）的核心价值。
二、KMS总览
KMS（Key Management System）即密钥管理系统，用于对密钥的生命周期进行管理，提供统一的使用接口，并实现权限管控、审计追溯等能力。其核心功能包括：
1、密钥生成 - 统一管理密钥的生成，一般要求根密钥具备较高的随机性以防止密钥被猜测、应用密钥通过安全的分散算法派生生成。
2、密钥存储 - 安全的存储密钥，如使用专用的安全存储设施或采用高强度加密保护，防止密钥的泄露和窃取。
3、密钥分发 - 确保密钥从生成、存储环境向使用环境传输的过程中不被泄露。
4、密钥注销 - 密钥生命周期完结之后，合理、安全地销毁密钥，并对销毁步骤作进行记录。
5、密钥更新 - 通过合理的密钥更替机制，降低密钥长期使用带来的暴露风险。一般要求：根密钥长期有效，具备更替能力；应用密钥定期更新，防止恶意破解；过程密钥一次一密，并通过引入时间戳、流水号等应用数据防止重放攻击。
6、密钥备份 - 保证重要密钥的备份恢复机制，在密钥丢失、灾难场景下，能够较快恢复密码服务能力，恢复时间目标(RTO)和恢复点目标(RPO)满足业务方需求。
7、密钥应用和密码运算服务 - 在具体的应用场景下，KMS还负责为业务方提供与应用相关的安全接口，如：数据加密封装、隐私数据脱敏、接口签名等。
一般情况下我们将KMS系统划分为三个核心模块：
1、安全区 - 整个系统的安全根，主要负责安全存储系统的根密钥，仅对系统内必要的功能模块开放访问权限。
2、服务层 - 系统主要功能的实现部分，为用户和KMS的应用提供密钥管理、数据加密、数字签名等服务，这也是KMS中与业务逻辑关系最紧密的部分。
3、接入层 - 面向应用系统提供业务接入能力，贝壳KMS通过提供多语言、多框架适配的SDK，来支持无侵入或低侵入的集成。
在此基础上，依赖公司部分已有基础架构（依赖服务）、KMS服务层的数据及基础能力，实现了KMS的平台层（负责系统监控和密钥管理）；面向各业务系统在应用界面提供数据安全能力（如接口管控、数据加密、数据脱敏等）；同时在用户界面上平台层主要面向不同用户（业务方团队、安全运营团队和系统运维团队）提供业务接入管理、敏感数据地图、应急响应等关键服务。
三、KMS密钥体系
贝壳KMS的密钥体系设计如下：
1、应用密钥（AK） - 对应用系统提供各类密码运算的密钥（按照功能可以划分为数据加密密钥DEK、数据检索密钥DAK、身份认证密钥AK/SK等），应用密钥运行在KMS-Agent中。
2、密钥加密密钥（KEK） - 用于在密钥分发过程中对应用密钥进行加密保护，密钥管理中心服务与每个KMS-Agent之间的每个会话维护一把KEK，在向Agent分发应用密钥时使用KEK对密钥进行加密保护；
3、Agent证书（Cert） - 用于每个Agent节点的身份认证，并确保KEK的安全接收，Agent证书在程序安装时由密钥管理中心服务颁发；
4、根密钥（Root KEY） - 系统中密钥体系的安全根，由多个密钥分量组成、并存储在KMS系统的安全区域。密钥管理中心服务启动时将其加载至服务的运行内存中，用于生成应用密钥、加密备份和归档的应用密钥。
四、应用场景介绍
在贝壳数据安全应用中，密码学技术主要用于接口签名和数据加密两个经典场景，如下图：
4.1、接口签名
数字签名经典算法有两类：
1. 基于PKI体系公私钥对的非对称算法：通常使用私钥进行签名、公钥进行验签。常见的算法有RSA、椭圆曲线ECC、国密算法SM2。
2.基于对称密钥的HMAC算法：使用散列函数H，以消息M、盐值Salt、对称密钥K作为输入，输出定长摘要。常见的算法有：HMAC-MD5、HMAC-SHA256、HMAC-SHA384、HMAC-SHA512等。
由于公钥密码算法性能较低，因此在接口签名时通常采用轻量级的HMAC算法来实现，业界典型应用有AWS Signature、OAuth等。通常由服务端为客户端签发一组AK/SK安全凭证，其中AK用以标识客户端身份，而SK用于签名消息的生成和验证。
该模式下通常面临一个关键的安全挑战：由于应用方普遍缺乏对AK/SK的安全管理能力，凭证存在泄露、使用范围不可控等风险。
针对该问题，贝壳KMS提供了签名托管能力，依托KMS的能力实现业务调用时的接口签名方案，已经帮助近70个业务系统实现了API管控能力：
1. 通过预装在服务器环境中的Agent，识别本地服务的真实身份，防止客户端身份冒用；
2. 凭证管理、签名、验签运算统一打包为API接口，实现统一的签名规范，并提供基于切面（AOP）、代码低侵入的开发框架集成支持。
4.2、数据加密
KMS系统在2020年与各业务线的密切合作中，逐渐确定了覆盖数据传输和存储场景的数据加密方案，并支持了40余个业务系统接入KMS的数据加密能力。
通过如下机制，确保数据安全能力落地：
1. 敏感数据不再以明文形式在系统间流转、不再存在明文形式的静态敏感数据；
2. 对敏感数据的跨系统访问，需经过相关业务的授权，权限控制颗粒度精确到字段级别；
3. 对敏感信息的使用，都可以通过KMS解密功能的调用记录跟踪到具体的系统和时间；
4. 对于敏感数据的批量泄露事件，可以结合KMS相关功能的访问量变化进行分析排查；
5. 通过持续丰富完善的SDK，帮助业务系统快捷的实现数据加密能力集成，支持无侵入、低侵入的集成方式，如：
a) PHP Laravel服务框架下接口敏感字段的自动加、解密能力；
b) Java SpringBoot MVC服务框架中接口敏感字段的自动加、解密能力；
c) OKHttp客户端组件调用敏感数据接口时的自动化加、解密处理能力；
d) Keboot DataSource中数据库敏感字段自动化加、解密处理。
五、结语
数据已愈发成为每个公司的核心竞争力，数据的价值已不言而喻，数据安全的重要性也越来越高。在贝壳，高价值的数据无处不在，同时数据安全又是一项安全与业务紧密结合、长期且艰巨的工作。——“道阻且长，行则将至”，贝壳技术团队将通过持续打造KMS等公共安全能力，把高标准的数据安全赋能到业务流程中，不断提升公司数据安全治理的技术底座。
贝壳安全和风险中心安全产品研发部